2干凈燃燒技術本章主要內容：燃料的分類及化學組成；燃料的燃燒過程及影響因素：燃燒及產物、完全燃燒的條件、發熱量與熱損失；燃燒設備；燃燒產生的污染物及機制；清潔燃燒技術;燃燒過程污染物排放量的計算。大氣污染限制技術12干凈燃燒技術課堂探討你所熟悉的燃料有哪些？你所熟悉的燃燒設備有哪些？大氣污染限制技術22干凈燃燒技術2.1燃料的燃燒過程2.1.1燃料的種類與性質燃料指燃燒過程中能放出熱量且經濟上可行的物質。按來源：自然、加工燃料；按物態：固體、液體和氣體燃料；按運用多少：常規和特殊規燃料；（1）固體燃料分為自然固體燃料、人工固體燃料和固體可燃廢物。自然固體燃料：礦物燃料(煤)、生物質燃料(林木)。大氣污染限制技術32干凈燃燒技術煤的主要組成和元素：C、H、O、N、S及一些非可燃性礦物如灰分和水分等。碳是煤發熱主要來源，32700kJ/kg碳。煤含氫3%～6%，結合氫和氧結合成穩定化合物不能燃燒(如:H2O)，可燃氫與碳、硫結合成有機物。灰分是煤中的碳酸鹽、黏土及微量稀土元素。煤中的硫分有無機硫（硫鐵礦和硫酸鹽）和有機硫（硫醇、硫醚等）兩種形態。分為低硫煤（<1.5%）、中硫煤（<1.5%～2.4%）、高硫煤（<2.4%～4%）和富硫煤（>4%）。大氣污染限制技術42干凈燃燒技術（2）液體燃料包括石油及石油制品、煤炭加工制取的燃料油和生物液體燃料自然液體燃料主要指石油石油加工→液體燃料汽油、煤油、柴油和重油（石油直餾和裂化作用）等。大氣污染限制技術52干凈燃燒技術煤炭加工制取的燃料油主要是煤焦油和煤液化油水煤漿(70%煤、30%水及少量化學添加劑)。漿體燃料，像油一樣泵送、霧化、貯存和穩定燃燒。優點：燃燒效率高、削減環境污染等。大氣污染限制技術62干凈燃燒技術燃料乙醇是替代能源，解決玉米等陳化糧問題。乙醇幾乎完全燃燒，不產生對人體有害物質，降低汽車尾氣有害物排放。生物柴油：利用動植物油脂、酸化油、地溝油、泔水油、化工廠油腳、皂角等為原料、經反應改性為可供內燃機運用的一種液體燃料。大氣污染限制技術72干凈燃燒技術（3）氣體燃料氣體燃料屬于清潔燃料，主要包括自然氣、液化石油氣(LPG)、裂化石油氣和焦爐煤氣。自然氣主要成分→甲烷，其次乙烷等飽和烴，有少量CO2、N2、O2、H2S和CO等。液化石油氣主要成分→C2、C3和C4組分，輸送和貯存時液體狀態，燃燒是氣體狀態，廣泛用于居民生活和汽車等燃料。裂化石油氣是用水蒸氣、空氣或氧氣等作氣化劑，將石油和重油等油類裂化而得，一般作民用燃料。焦爐煤氣煉焦生產副產物，主要成分→H2、CH4和CO，少量N2、CO2，廣泛用作工業和民用燃料。大氣污染限制技術82干凈燃燒技術特殊規燃料城市固體廢棄物商業和工業固體廢棄物農產品及農村廢物污水處理廠廢物可燃性工業和采礦廢物自然存在的含碳和含碳氫的資源合成燃料大氣污染限制技術92干凈燃燒技術2.1.2影響燃燒過程的主要因素燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成相應的氧化物。完全燃燒（C和H完全轉化）和不完全燃燒。影響燃燒過程的主要因素（完全燃燒條件）

：①

足夠量的空氣；②足夠高的的燃料溫度；③燃料與氧氣在爐膛高溫區停留足夠的時間；④燃料與氧氣的充分混合。大氣污染物排放量最低,實現有效燃燒的四個因素：空氣與燃料之比、溫度(temperature)、時間(time)和湍流(torrent)，后三者通常稱為燃燒過程的“三T”。大氣污染限制技術102干凈燃燒技術（1）燃料燃燒過程須要的空氣量和空氣過剩系數燃燒是可燃混合物的快速氧化過程，并伴有能量的釋放，同時使燃料的組成元素轉化成相應的氧化物。完全燃燒（C和H完全轉化）和不完全燃燒。按燃燒不同階段供應相適應的空氣量。多數化石燃料完全燃燒的產物是CO2、水蒸汽；不完全燃燒過程將產生黑煙、CO等。若燃料中含S、N會生成SO2和NOx。燃燒產生污染物：硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、煙塵、金屬氧化物、CH及多環有機物。大氣污染限制技術112干凈燃燒技術①理論空氣量將完全燃燒1kg或1m3(標準狀態)燃料理論所需的空氣量稱為理論空氣量，用符號A0表示。（例題見書P13例2-1）②空氣過剩系數（α）實際的燃料燃燒過程中，為了使燃料能夠完全燃燒，必需供應過量的空氣。超出理論空氣量的空氣稱為過剩空氣。空氣過剩系數：實際供應的空氣量與理論空氣量比值。③空燃比（AF）指單位質量燃料燃燒所須要空氣的質量。可由燃撓方程干脆求得。大氣污染限制技術122干凈燃燒技術（2）燃料的著火溫度只有達到著火溫度，才能與氧化合而燃燒。著火溫度：在氧存在下可燃質起先燃燒必需達到的最低溫度。見教材15頁表2-3。反應速度隨溫度上升而加快，T↑——t↓。（3）燃燒的時間與空間因素時間因素是指燃料在燃燒爐中停留時間的長短。空間因素是指燃燒室的大小與形態。（4）燃料與空氣的混合混合程度取決于空氣湍流度。燃料不同，湍流作用不同。對于蒸氣相的燃燒，湍流可以加速液體燃料的蒸發；對于固體燃料的燃燒，湍流有助于提高額粒表面反應氧氣的傳質速度，使燃燒過程加速大氣污染限制技術132干凈燃燒技術2.1.3發熱量與熱損失（1）發熱量單位質量燃料完全燃燒產生的熱量，在燃燒前后狀態相同狀況下(通常指298K和101325Pa)的熱量變更值，稱為燃料的發熱量，單位是kJ／kg，或KJ／m3。（2）熱損失①排煙熱損失排煙帶走部分熱量，一般鍋爐排煙熱損失為6%～12%。削減措施：盡量削減排煙量；降低排煙溫度，一般工業鍋爐排煙溫度取433～473K，大中型鍋爐取383～453K。②不完全燃燒熱損失化學不完全燃燒熱損失：煙氣中殘留的CO及少量的H2、CH4等可燃氣體。機械不完全燃燒熱損失：灰渣未燃盡碳、漏煤和飛灰帶走碳產生的熱損失。大氣污染限制技術142干凈燃燒技術2.1.4固體燃料的燃燒過程和設備固體燃料的燃燒主要指煤或焦炭的燃燒。煤的燃燒過程概括起來至少有四個主要過程：①氣相中的氧分子擴散到煤粒子的表面；②煤中揮發分的擴散；③進行化學反應；④反應產物轉移到氣流中。煤的燃燒方式分為層燃、室燃和流態化燃燒。燃燒設備：大致可以分為爐排爐、煤粉爐、旋風燃燒爐和流化床鍋爐。各種爐排爐接受層燃方式；煤粉爐和旋風燃燒爐則接受室燃方式；沸騰爐和循環流化床鍋爐均屬于流態化燃燒方式。大氣污染限制技術152干凈燃燒技術大氣污染限制技術162干凈燃燒技術鏈條爐示意圖（見P15）大氣污染限制技術172干凈燃燒技術振動爐排爐示意圖（見P15-16）大氣污染限制技術182干凈燃燒技術

拋煤機爐排爐示意圖（見P16）

大氣污染限制技術192干凈燃燒技術圓柱形煤粉燃燒爐（見P16）

大氣污染限制技術202干凈燃燒技術旋風燃燒爐示意圖（見P17）

大氣污染限制技術212干凈燃燒技術典型的流化床鍋爐示意圖（見P17）1.原煤倉；2.石灰石倉；3.二次風；4.一次風;5.燃燒室;6.旋風分別器;7.外置流化床熱交換器;8.限制閥;9.對流豎井;10.除塵器;11.引風機;12.汽輪發電機;13.煙囪大氣污染限制技術222干凈燃燒技術2.1.5氣體燃料的燃燒過程和設備氣體燃料燃燒分三個階段：氣體燃料與空氣的混合階段；混合后可燃氣的加熱和著火階段；可燃氣體燃燒反應階段。第一階段是一個物理過程，混合過程不僅須要確定的時間，而且還要消耗確定的能量。依據氣體與空氣混合狀況的不同，可將氣體燃料的燃燒過程分為有焰燃燒、無焰燃燒和半無焰燃燒三種過程。大氣污染限制技術232干凈燃燒技術(1)有焰燃燒有焰燃燒是指氣體燃料和空氣在燃燒器中不預先混合，而是送入燃燒室進行邊混合邊燃燒，可見明顯的火焰。(2)無焰燃燒指氣體燃料和空氣在進入燃燒室前就已混合勻整，又稱混合燃燒。(3)半無焰燃燒半無焰燃燒是將燃燒所須要的空氣分兩部分與氣體燃料相互混合燃燒，一部分空氣(一次空氣）在預熱室內與氣體燃料混合；另一部分空氣(二次空氣)借助于混合后可燃氣的噴射作用，攜入燃燒室進行邊混合邊燃燒。氣體燃燒無一例外均為室燃燒；不同類型燃燒裝置差別：燃燒室結構、噴嘴結構、空氣和燃料供應裝置、點火裝置及平安裝置等方面。大氣污染限制技術242干凈燃燒技術半無焰燃燒示意圖大氣污染限制技術252干凈燃燒技術2.1.6液體燃料的燃燒過程和裝置液體燃料的燃燒過程：燃料的霧化、油霧粒子中可燃物的蒸發和擴散、可燃氣體與空氣的混合以及可燃氣體氧化燃燒等。液體燃料燃燒也只能進行室燃燒。燃料油、水蒸氣霧化劑和空氣的供應方式大氣污染限制技術262干凈燃燒技術2.2燃燒過程中主要污染物的形成機制2.2.1硫氧化物的形成機制硫氧化物是指SO2和SO3。當燃料中的可燃性硫進行燃燒時，就生成了SO2。元素硫燃燒S+O2=SO2硫化物硫燃燒SO2+1/2O2=SO34FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2SO2+1/2O2=SO3（1%～5%）有機硫CH3CH2SCH2CH3→H2S+2H2+2C+C2H4H2S+3O2=2SO2+2H2OSO2+1/2O2=SO3一般主要生成SO2，SO3可忽視。大氣污染限制技術272干凈燃燒技術2.2.2氮氧化物的形成機制大氣中的NOx90%以上產生于燃燒過程。（1）熱力型NOx熱力型NOx是高溫燃燒時N2和O2反應生成的NOx；與燃燒溫度、氧氣的濃度及氣體在高溫區的停留時間有關。燃燒溫度低于1300℃時，只有少量NO生成，燃燒溫度高于1500℃時，NO的生成量顯著增加。N2+O2=2NO2NO+O2=2NO2削減熱力型NOx的生成量措施：降低燃燒溫度，削減過量空氣，縮短氣體在高溫區停留的時間。大氣污染限制技術282干凈燃燒技術（2）燃料型NOx燃料型NOx燃料中有機氮經過化學反應生成的NOx。燃料型NOx的發朝氣制：一般認為，燃料中的氮化合物首先發生熱分解形成中間產物，然后再經氧化生成NO。燃料中的氮經過燃燒約有20%～70%轉化成燃料型NOx，主要是NO，在一般鍋爐煙道氣中只有不到10%的NO氧化成NO2。旋風燃燒爐因爐溫高，使燃料中的氮大部分轉化為NOx，熱力型NOx生成量也增加，限制了運用。大氣污染限制技術292干凈燃燒技術2.2.3顆粒污染物的形成機制燃燒不完全形成的炭黑、結構困難的有機物、煙塵和飛灰等。（1）燃煤粉塵的形成煤在特殊志向的燃燒條件下，可以完全燃燒，即揮發分和固定炭都被氧化成二氧化碳，余下灰分。燃燒條件不夠志向，在高溫時會發生熱解作用，形成多環化合物而產生黑煙。隨煙氣排出的固體顆粒物一般稱為飛灰，包括未燃盡的煤粒、燃盡余下的灰粒及燃燒形成的炭黑等。（2）氣、液燃料燃燒形成的碳粒子氣態燃料燃燒的顆粒污染物為積碳，液態燃料高溫分解形成顆粒污染物為結焦和煤胞。大氣污染限制技術302干凈燃燒技術2.3煤脫硫技術和低NOx生成燃燒技術燃煤脫硫技術可劃分為：(1)燃燒前脫硫原煤在投入運用前，用物理、物理化學、化學及微生物等方法，將煤中的硫分脫除掉。爐前脫硫能除去灰分，減輕運輸量，減輕鍋爐的粘污和磨損，削減灰渣處理量，還可回收部分硫。煤的洗選技術、煤的轉化。(2)燃燒中脫硫在燃燒過程中，在爐內加入固硫劑，使煤中硫分轉化為硫酸鹽，隨爐渣解除。型煤固硫及流化床燃燒脫硫。(3)燃燒后脫硫煙氣脫硫。大氣污染限制技術312干凈燃燒技術2.3.1煤脫硫技術(1)燃燒前脫硫■洗煤又稱選煤，是通過物理或物理化學方法將煤中的含硫礦物和矸石等雜質去除，來提高煤的質量。是燃前除去煤中礦物質，降低硫含量的主要手段。■煤炭經洗選后，可使原煤中的含硫量降低40％一90％，含灰分降低50％一80％。■目前廣泛接受的選煤工藝仍是重力洗選法。重力洗選：利用煤與雜質密度不同進行機械分別。硫的凈化效率取決于煤中黃鐵礦的顆粒大小及無機硫含量。有機硫含量大，或煤中黃鐵礦嵌布很細時，僅用重力脫硫法，精煤硫分很難達到要求。大氣污染限制技術322干凈燃燒技術淘汰分選原理圖大氣污染限制技術332干凈燃燒技術跳汰式洗煤機入洗粒度≤30mm；篩板槽框寬18mm；跳汰面積：3.6m2；水壓：0.8-1公斤/平方厘米；用水量150噸/小時大氣污染限制技術342干凈燃燒技術新的脫硫方法————浮選法：用于處理粒徑小于0.5mm的煤粉，利用煤與矸石、含硫礦物的性質不同進行分別。高梯度磁分別法：利用煤與黃鐵礦的磁性不同(黃鐵礦是順磁性物質，煤是反磁性物質)，將黃鐵礦分別去除，脫硫效率約60％。化學氧化脫硫法：將煤裂開后與硫酸鐵溶液混合，在反應器中加熱至120℃左右，硫酸鐵與黃鐵礦反應生成硫酸亞鐵和S，通人O2將硫酸亞鐵氧化為硫酸鐵。微波輻射法：煤中黃鐵礦的硫最簡潔吸取微波，有機硫次之，煤基質基本不吸取微波。微波吸取后減弱化學鍵，用浸取液洗滌煤中硫，可以去無機硫和有機硫，還沒在工業上應用。大氣污染限制技術352干凈燃燒技術（２）燃中固硫技術①型煤固硫型煤：運用外力將粉煤擠壓制成具有確定強度且塊度勻整的固體型塊。型煤固硫：選用不同煤種、無粘結劑法或用瀝青等粘結劑，用廉價鈣系固硫劑，經干餾成型或干脆壓制成型。美國型煤加石灰固硫率達87%，煙塵削減60%；日本蒸汽機車用石灰使型煤固硫率70%~80%，脫硫費用僅為選煤的8%。大氣污染限制技術362干凈燃燒技術壓球機民用蜂窩煤和煤球加石灰固硫率可達50%以上，工業鍋爐型煤加石灰固硫意義重大。固硫劑：石灰粉及堿性工業廢渣（電石渣）。成型設備：多接受單螺桿擠壓成型機和對輥成型機。大氣污染限制技術372干凈燃燒技術蜂窩煤機大氣污染限制技術382干凈燃燒技術②流化床燃燒脫硫當氣流速度達到使升力和煤粒的重力相當的臨界速度時，煤粒將起先浮動。優點：爐內脫硝脫硫，普遍受到重視。原理：低溫燃燒過程，爐內存在局部還原氣氛，熱型NOx基本上不產生，因而NOx生成量削減。常用的脫硫劑：石灰石或白云石。石灰石粉碎至與煤同樣的粒度（2mm左右）與煤同時加入爐內。在1073—1173K下燃燒，CaO為多孔，達固硫目的。流化鍋爐分為鼓泡流化床鍋爐（FBC）和循環流化床鍋爐（CFB）。大氣污染限制技術392干凈燃燒技術流化床燃燒特點：強化氣固兩相的熱量和質量交換，有利于燃料燃燒。不僅適用于煤燃燒，還可以適用于熱值小的燃料，如煤矸石、城市垃圾；延長燃料的停留時間；料層蓄熱量大，新煤易著火燃燒；循環流化床爐內燃燒溫度保持在900℃左右，有利于燃燒過程脫硫。石灰石在該溫度下分解形成氧化鈣，與二氧化硫和氧反應形成硫酸鈣，而硫酸鈣在這個溫度下不簡潔再次分解，比一般的其他鍋爐1200℃有優勢。工業運行閱歷：爐內鈣/硫摩爾比在1.8-2.5時，脫硫效率可達90%以上。大氣污染限制技術402干凈燃燒技術（3）煤炭的轉化◆煤炭的轉化主要是氣化、液化，對煤進行脫硫或加氫變更其原有的碳氫比、使煤轉變為清潔的二次燃料。A.煤的氣化煤的氣化是以煤為原料，接受空氣、氧氣、CO2和水蒸氣為氣化劑，在氣化爐內進行煤的氣化反應，可以產出不同組分、不同熱值的煤氣。煤的氣化技術發展很快：第一代干式排灰氣化；其次代液態排渣氣化；第三代試驗階段的煤催化氣化。原理：在氧氣不足時，C與O2反應可以生成CO。若將炙熱的煤與水蒸氣反應，就生成中熱值焦爐煤氣，即所謂的水煤氣。煤氣化系統：由煤預處理、氣化、清洗和優化組成。大氣污染限制技術412干凈燃燒技術煤氣主要是H2、CO、CH4等，硫以H2S形式存在。生產出煤氣中H2S含量幾百到幾千mg/m3。大型煤氣廠先用濕法洗滌脫除大部分H2S，再用干法吸附和催化轉化去除其余部分。小型煤氣廠一般用氧化鐵法脫除H2S。B.煤的液化煤的液化指在確定條件下使煤轉化為有機液體燃料。干脆液化：對煤進行高溫高壓加氫干脆得到液體產品。間接液化：煤氣化轉化成合成氣（CO+H2），再催化合成液體燃料。煤的液化時耗水量很大，排水含高濃度COD，要求大規模水處理設施。大氣污染限制技術422干凈燃燒技術整體煤氣化聯合循環系統IGCC又稱為煤氣化聯合循環工藝流程：煤進入有壓力的氣化爐中，與氧氣和水蒸氣反應產生粗煤氣，除去粉塵和氣態污染物后，送入燃氣輪機發電。排出的高溫煙氣經余熱鍋爐產生蒸汽，供汽輪機發電。脫硫效率：97％一99％，NOx排放濃度低，對煤種的適應性也較廣，同時得到副產品硫。大氣污染限制技術432干凈燃燒技術2.3.2低NOx生成燃燒技術（了解）過量空氣系數越大，燃料中氮的轉化率就越高，當過量空氣系數小于0.7時，幾乎沒有燃料型NOx生成。限制燃料型NOx生成量的主要措施：NOx生成階段接受富燃料燃燒(α＜1)，燃料氮在還原性氣氛中盡可能多的轉化為分子氮N2。發展了兩段式燃燒、低過量空氣系數和煙氣再循環等。低NOx燃燒技術關鍵設備是新型燃燒器：降低燃燒區氧氣的濃度，降低高溫區的火焰溫度或縮短可燃氣在高溫區的停留時間。大氣污染限制技術442干凈燃燒技術強化混合型低NOx燃燒器大氣污染限制技術452干凈燃燒技術分割火焰型低NOx燃燒器大氣污染限制技術462干凈燃燒技術部分煙氣循環低NOx燃燒器大氣污染限制技術472干凈燃燒技術二段燃燒低NOx燃燒器示意圖大氣污染限制技術482干凈燃燒技術2.4燃燒過程污染物排放量的計算2.4.1煙氣體積的計算煙氣：燃料燃燒生成的高溫氣體；排煙：熱煙氣經傳熱降溫后再經煙道及煙囪排向大氣，排出的煙氣；濕煙氣：通常在排煙中臺有不飽和狀態的水蒸氣，排煙中的水蒸氣是由燃料中的自由水、空氣帶入的水蒸氣以及燃燒所生成的水蒸氣所組成，用G0示；干煙氣：不含水蒸氣的煙氣，用G0’；煙氣的主要成分有CO2、N2、SO2等。理論煙氣量：指在供應理論空氣量(α＝1)的條件下，燃料完全燃燒時所產生的煙氣量。理論煙氣體積等于干煙氣的體積和水蒸氣體積之和。大氣污染限制技術492干凈燃燒技術（1）煙氣的體積和密度換算(P29)燃燒過程的溫度和壓力一般是在高于標準狀態。煙氣體積和密度計算，換算成標準狀態，便利比較。用志向氣體有關方程進行換算。大氣污染限制技術502干凈燃燒技術大氣污染限制技術512干凈燃燒技術（2）實際煙氣體積實際燃燒過程中空氣有剩余，所以燃燒過程中的實際煙氣體積應為理論煙氣體積與過剩空氣體積之和。大氣污染限制技術522干凈燃燒技術大氣污染限制技術532干凈燃燒技術（3）燃煤設備污染物產生量和排故量的估算燃煤設備是指工業鍋爐、茶浴爐和食堂大灶。①產污量和排污量的估算②燃煤工業鍋爐污染物的產污和排污系數a.煙塵產污和排污系數燃煤鍋爐的產污系數與燃煤中灰分含量、燃燒方式、鍋爐負荷有關；排污系數除與上述因素有關外，還與鍋爐配用的各種不同類型的除塵器有關。見教材表2-6、2-7、2-8、2-9。大氣污染限制技術542干凈燃燒技術b.二氧化硫產污和排污系數二氧化硫的產污系數主要取決于煤的含硫量、鍋爐燃燒方式、煤在燃燒中硫的轉化率；二氧化硫的排污系數與接受的脫硫措施的脫硫率有關(見表2-10和表2-11)。c.NOx、CO、CH化合物產污和排污系數工業鍋爐燃煤產污和排污系數主要依據實測數據經統計計算而定；燃煤工業鍋爐NOx、CO、CH等污染物的產污和排污系數見表2-12，產污、排污系數相等。大氣污染限制技術552干凈燃燒技術2.4.2工業生產廢氣和污染物排污量的估算工業生產廢氣和污